Минеральные вяжущие

Минеральными вяжущими называют вещества, которые при тонком измельчении до порошкообразного состояния и при смешивании с водой (иногда с растворами солей) образуют пластическую массу, которая со временем затвердевает и соединяет в монолит разрозненные материалы.

Готовые минеральные вяжущие по способу получения схожи: добыча сырья; очистка от примесей; обжиг при определенных температурах; помол до порошкообразного состояния.

Подавляющее число неорганических вяжущих способно твердеть самопроизвольно, без создания каких-либо условий. Однако находят применение и вяжущие, которые твердеют при определенных условия и при введении специальных добавок.

Все минеральные вяжущие подразделяют на 4 группы:

  • Воздушные вяжущие вещества, после смешивания с водой твердеют и длительно сохраняют свои свойства только на воздухе, потому что полученные новые гидратные соединения хорошо растворимы в воде, поэтому их используют только в сухих условиях. Примеры: гипс, воздушная известь, магнезиальные вяжущие и др.
  • Гидравлические вяжущие вещества, твердеют и длительно сохраняют свои свойства в воде, т.к. образуют гидратные соединения, которые устойчивы к водной среде. Примеры: романцемент, портландцемент и др.
  • Кислотостойкие вяжущие вещества, они способны длительное время эксплуатироваться при воздействии кислот. К кислотостойким вяжущим веществам относится кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент, представляющий собой тонкомолотую смесь кварцевого песка и кремнефтористого натрия, затворяемую водным раствором силиката натрия или калия. Это вяжущее после начального твердения в воздушной среде может длительное время сопротивляться агрессивному воздействию неорганических и органических кислот, кроме фтористо-водородной. Пример: кислотоупорные, кремнефтористые, кварцевые цементы и др.
  • Автоклавные вяжущие вещества. Это вяжущие вещества, которые способны твердеть только в автоклаве - в среде насыщенного водяного пара при температуре 170-300°С и при повышенном давлении от 8 до 16 атмосфер. Пример: все вяжущие полученные на основе извести и любого кремнеземистого или глиноземистого компонента: известково-кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые и другие вяжущие.

Воздушные вяжущие

Воздушные вяжущие способны затвердевать и длительно сохранять прочность только на воздухе, они без труда размываются водой.

По химическому составу можно выделить четыре группы воздушных вяжущих:

  • известковые, состоящие, в основном, из гидроксида кальция Са(ОН)
  • гипсовые, состоящие из сульфата кальция (CaSO4 • 0,5Н2О или CaSO4);
  • магнезиальные, главным компонентом которых служит MgO.
  • глина, твердение происходит без химических реакций, за счет испарения воды.

Магнезиальные вяжущие вещества

Магнезиальные вяжущие затворяют не водой, а водными растворами солей сернокислого или хлористого магния, раствор хлористого магния дает большую прочность, чем на растворе сернокислого магния.

Магнезиальные вяжущие слабо сопротивляются действию воды. Их можно использовать только при затвердении на воздухе с относительной влажностью не более 60%.

Разновидностями магнезиальных вяжущих веществ являются каустический магнезит и каустический доломит.

Каустический магнезит получают при обжиге горной породы магнезита MgCO3 в шахтных или вращающихся печах при 650-850°С. В результате MgCO3 разлагается. Оставшееся твердое вещество (окись магния) измельчают в тонкий порошок.

Каустический магнезит легко поглощает влагу и углекислоту из воздуха, в результате чего образуются гидрат оксида магния и углекислый магний. В связи с этим каустический магнезит хранят в плотной герметической таре.

Каустический доломит MgO и СаСО3 получают путем обжига природного доломита CaCO3•MgCO3 с последующим измельчением его в тонкий порошок. При обжиге доломита СаСО3 не разлагается и остается инертным как балласт, что снижает вяжущую активность каустического доломита по сравнению с каустическим магнезитом.

На основе магнезиальных вяжущих в прошлом времени изготовляли ксилолит (смесь вяжущего с опилками), используемый для устройства полов, а также фибролит и другие теплоизоляционные материалы. В настоящее время применение магнезиальных вяжущих резко сократилось.

Глина, как вяжущее

При смешивании глины с водой глина разбухает образуя пластичный раствор или тесто. При добавлении наполнителя (песок, солома и т.п.) получают строительный раствор. Со временем раствор твердеет, но не в результате химических реакций между глиной и водой, а за счет испарения воды, т. е. высыхания. После высыхания глиняного теста и раствора получается довольно прочный камень, но до первого соприкосновения с водой. В воде глиняный камень размокает, разваливается. При умеренном количестве воды вновь образуется глиняное тесто, способное связывать зерна песка и щебня.

Гидравлические вяжущие

Гидравлические вяжущие способны твердеть и длительное время сохранять прочность не только на воздухе, но и в воде. Причем, находясь в воде, они могут повышать свою прочность.

По химическому составу гидравлические вяжущие представляют собой сложные системы, состоящие в основном из соединений четырех оксидов: СаО, SiO2, Аl2О3, Fe2O3. Эти соединения образуют основные типы гидравлических вяжущих (приводятся в исторической последовательности):

  • гидравлическая известь и романцемент;
  • силикатные цементы, состоящие преимущественно из силикатов кальция (портландцемент и его разновидности);
  • алюминатные цементы, состоящие в основном из алюминатов кальция (глиноземистый цемент и его разновидности);
  • вяжущие эттрингитового типа, основными компонентами которых являются алюминаты кальция и сульфат кальция (расширяющиеся и безусадочные цементы).

Прочность

Главнейшие показатели качества вяжущих - прочность и скорость твердения.

Прочность вяжущих изменяется во времени, поэтому ее оценивают по прочности (обычно на сжатие и изгиб) стандартных образцов, твердевших определенное время в условиях, установленных стандартом. По этим показателям устанавливают марку вяжущего. Например, марка гипсовых вяжущих определяется по прочности образцов из гипсового теста спустя 2 ч после их изготовления, а портландцемента - по прочности образцов из цементно-песчаного раствора - через 28 суток твердения во влажных условиях при температуре (20 ± 2)°С.

Скорость твердения

Другая не менее важная характеристика вяжущих - скорость твердения. Очень высокой скоростью твердения обладают гипсовые вяжущие, они полностью затвердевают за несколько часов. Очень медленно твердеет воздушная известь, процесс ее твердения длится сотни лет.

В процессе твердения строители различают две стадии: схватывание и набор прочности (собственно твердение). Такое членение процесса имеет весьма условный характер, но оно удобно для практических целей.

Схватывание

Схватывание - потеря тестом вяжущего пластично-вязких свойств и формирование структуры с молекулярными, вандер-ваальсовыми связями. Момент, когда появляются признаки загустевания теста, т. е. оно начинает терять пластичность, говорит о начале схватывания.

Момент, когда тесто превращается в твердое тело, окончательно теряя пластичность, но не приобретая еще практически значимой прочности, называют концом схватывания.

Сроки схватывания гипса 4-30 мин, портландцемента - несколько часов.

Схватывание - явление, характерное для вяжущих, твердеющих по физико-химическому механизму (гипс, цементы).

У простейших вяжущих (глина, известь), твердеющих в результате испарения воды, этап схватывания растягивается на очень длительный период времени, поэтому принято считать, что он просто отсутствует.

Сроки схватывания необходимо знать, так как все работы со смесями на основе вяжущих должны заканчиваться до начала их схватывания, пока они не потеряли пластичности. Повторное перемешивание после схватывания, особенно с добавлением воды, может привести к существенному снижению прочности материала на этом вяжущем.